抽蓄电站超深竖井500kV高压电缆敷设方案研究

王树生 陈 凯 张志翔

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130021；3.中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710024；4.中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179)

目前国内抽水蓄能电站项目密集开工，地下工程施工规模较大、难度高，枢纽建筑物及地下洞室较为复杂，一般情况下蓄能电站包含以下几个重要系统：上水库、下水库输水系统，地下厂房系统，地面综合楼，500kV地面开关站。而为满足电站送出要求，往往采用高压电缆连接500kV地面开关站和地下主变设备，国内目前基本采用以下两种方式，一种为电缆斜井出线方式与地面开关站连接；另一种采用电缆竖井方式与地面开关站连接。超高压电缆通常具有单根距离长、直径和截面较大、自重大等特点，500kV挤包绝缘电力电缆在“平洞+竖井”中施工敷设尤为困难和复杂。

1 工程简介

1.1 工程概况

黑龙江荒沟抽水蓄能电站开关站与地下厂房采用竖井连接，竖井设计总高度344.8m，电缆通道的有效高程334m，为缓解电缆自身重力问题，在高程332.95m处设置有耳洞，经高压电缆平洞与地下GIS室连接。其中直径11m的圆形断面共计323.9m，衬砌厚度55cm，耳洞高度11.4m，长度16.48m，分为三层，中间层为消防设备层，上、下两层为高压电缆缓冲层。整个电缆兼排风竖井由高低压电缆井、电梯井、电梯前室、楼梯间、电梯泄风井、事故排风井及三个排风井等11个小井组成。竖井耳洞上部高度165m，竖井下部高度162m。其中高压电缆井每5.4m设置一层平台，布置两个2.25m×0.78m方形井孔。本文在施工前针对电缆竖井及廊道内施工空间狭小、工器具布置困难、安全控制等问题，通过三维建模进行电缆受力分析，为后续施工提供理论依据。

1.2 电缆参数

电缆的技术特性见表1。

表1 电缆的技术特性

2 电缆受力计算

根据现场电缆路径实际情况及已有电缆数据信息，利用公式计算出各种敷设情况下的牵引力，然后选择合适的敷设工器具及方案，开关站及竖井内电缆敷设示意见图1。

图1 电缆敷设示意

2.1 基本计算公式

本文所用的基本计算公式如下：

侧压力

P=T/R

(1)

水平直线段牵引力T1=9.8μWL

(2)

水平转弯敷设牵引力T2=T1eμθ

(3)

上行斜坡直线敷设牵引力

T1=9.8WL(μcosθ+sinθ)

(4)

下行斜坡直线敷设牵引力

T2=9.8WL(μcosθ-sinθ)

(5)

摩擦力

f=μFN

(6)

式中，P为侧压力，N/m；T为牵引力，N；R为弯曲半径，m；μ为摩擦系数；W为电缆每米重量，kg/m，为25kg/m；T1为弯曲前牵引力，N；L为电缆长度，m；θ为弯曲圆心角,(°)；T2为弯曲后牵引力，N；FN为物体所受的正压力。

2.2 牵引力、夹紧力、摩擦力的分析和计算

电缆敷设分为竖井段电缆敷设和水平段电缆敷设两部分。在电缆盘展放、电缆路径直线段和转弯较缓的部分，考虑采用输送机进行电缆展放和敷设，并配置钢丝绳进行保护。

2.2.1 竖井段电缆敷设的布置

电缆廊道至电缆竖井连接处敷设见图2。

图2 电缆廊道至电缆竖井连接处敷设示意图

为避免电缆敷设过程中的损伤，拟按照图2所示布置输送机及大型落水架，利用滚轮组分散电缆由于自重导致的侧压力，通过输送机对电缆进行敷设。竖井段输送机在进行电缆输送时，工装处于垂直向下受力，考虑到电缆输送机的稳固性，输送机上端增加三角架及两根钢丝绳用于拉紧输送机，防止输送设备倾斜或坠落。

2.2.2 水平段电缆敷设的布置

电缆下平洞及主变室电缆长约198m,此处电缆通道基本为直线，只有两个直角转角，但转弯半径较大，并有13.38%的倾斜率，如图3所示，高压电缆在斜坡段汇聚后以蛇形布置由竖井分开敷设至地面开关站与GIS套管相连，基本可忽略侧压力。

图3 竖井及下平洞的电缆三维布置图

2.2.3 电缆重力计算

竖井口到耳洞上方垂直距离约165m，耳洞至竖井底部垂直距离约162m。根据现有电缆参数及公式，可算得电缆在竖井段最大自重为40425N。

根据竖井内电缆总重力，以及电缆厂家提供的输送机基本配置和日常操作检验选择的输送机型号见表2。

表2 输送机产品名称、型号及参数

JSD型号输送机对电缆径向夹紧力可自行调整。根据实践运用效果本次电缆敷设采用JSD-8型号的电缆输送机。

2.2.4 输送机力学计算

a.当竖井段内电缆保持夹紧状态时，可看作电缆与输送机之间处于相对静止状态，水平时牵引，此时电缆所需牵引力(即输送力)为电缆自重，即T1=40425N。

而JSD-8输送机每台额定输送力为8kN，考虑2倍安全系数的情况下，每段竖井段采用的输送机数量为10.106台。

耳洞上部至少需要10台输送机，在竖井转弯处增加1台，在耳洞处上、下层各设置2台输送机，合计共需25台输送机，竖井内电缆输送机安装见图4，在未安装输送机的检修平台处安装导向滑轮，见图5。

图4 输送机安装示意图

图5 导向滑轮安装示意图

b.电缆下平洞及主变室内敷设路径设置电缆输送机10台，直滑轮每4m设置1个，在电缆敷设路径转弯处搭建导向滑轮。经计算高压电缆平洞及下平洞的水平段牵引力为4.95kN，可满足敷设要求。

2.3 侧压力的计算

垂直作用在电缆表面方向上的压力称为侧压力，其主要发生在牵引电缆时的弯曲部位。最大允许侧压力的计算式为

(7)

式中Pm——最大允许侧压力，N/m；

T——转弯后的牵引力，N；

R——转弯半径，m。

一般而言，外护套为聚氯乙烯或聚乙烯的电缆在沿圆弧面滑动时允许侧压力为3kN/m；若沿圆弧面设置导向滑轮，则每个滑轮所受侧压力的允许值为1.8kN。

根据计算出的侧压力可调整转弯处导向支架上滑轮设置的数量。按照电缆敷设路径图计算直角弯处的侧压力，可求得侧压力为23.38kN，根据每个滑轮的允许侧压力值为1.8kN算出在转弯处设置13个滑轮即可满足不超过允许侧压力的要求。在工程实际应用中，在水平直角弯的入弯、出弯及半弯处应最少设置3个导向滑轮，并根据实际情况调整合适位置后进行固定。此外，在不超过滑轮所受侧压力的允许值和电缆最小弯曲半径要求的前提下，也可根据实际情况通过增加滑轮的数量来减小侧压力、缩小或增大转弯处的弯曲半径。

2.4 牵引力的校核

计算出敷设电缆所需的牵引力后还需计算电缆允许的最大牵引力。若实际所需牵引力大于电缆能承受的最大牵引力，则不能仅用单台卷扬机进行牵引，否则将造成电缆内部结构的损伤。这种情况下，采用人工敷设或增加电缆输送机来降低电缆的牵引力。

电缆最大允许牵引力的计算如下：按受力材料抗张强度的1/4考虑，以此乘以材料的截面面积为最大牵引力。通常电缆最大允许牵引力的计算式为

Tm=KδqS

(8)

式中Tm——最大允许牵引力，N；

K——校正系数，电力电缆取1，控制电缆取0.6；

δ——材料允许抗拉强度，N/mm2，铜芯时取68.6N/mm2，铝芯时取39.2N/mm2；

q——电缆导电芯数，单芯电缆取1，三芯电缆取3；

S——材料截面积，mm2。

以图1所示的电缆敷设为例，计算出的电缆允许最大牵引力为54880N。由计算可知，电缆输送机牵引力远远小于电缆最大允许牵引力。

3 电缆敷设选择

本工程的难点在于334m竖井内如何进行敷设，在竖井敷设过程中，必须防止电缆因自身重力造成的自由下落问题。根据计算结果拟采用电缆输送机进行敷设，电缆盘架设时要考虑电缆盘重及高度，由于电缆盘较高，架起高度一般在3m以上，为使放线滑轮的用力方向与电缆平行，放线滑轮必须固定在专门搭设的坡形架子上，另外电缆盘两侧盘沿应用厚木板设置“刹车”装置，电缆盘架设见图6。

图6 电缆盘架设示意图

在竖井旁边的平台上放置一定数量的电缆输送机，电缆输送机垂直放置，并与平台地面固定，电缆输送机在向下输送的同时将电缆夹紧，防止电缆的突然坠落。

a.竖井内安全平台安全网的搭建。电缆竖井高334m，工作时必须设置安全围栏和佩戴安全带。在电缆敷设前，在竖井中每一层搭建临时工作平台，以便有足够的工作空间。在竖井中搭建安全网，防止在施工过程中工具从高空跌落危及人身和电缆安全。

b.敷设机具的布置。本工程采用输送机敷设的方式，500kV电缆的质量较大(约25kg/m)，沿线必须合理安排敷设机具，避免牵引力过大硬性损伤电缆。根据电缆可承受的最大牵引力为54880N，在出线平台配备2台输送机，在334m竖井段配备20台输送机，耳洞位置及转弯处布置5台输送机，在198m平洞段配备10台输送机，布置位置根据现实际情况调整。

c.导向架的设计与布置。电缆在出线平台上下位置和竖井进出位置必须配备电缆导向架。导向架的拐弯半径要满足电缆最小的动态弯曲半径大于20倍直径，即大于3m的要求。竖井口是敷设的关键位置，此处的导向架必须经过特殊处理。电缆进入竖井后，该位置的受力随着进入竖直部分的电缆增多而迅速增大。当电缆完成进入竖井后，受力将全部施加在金属护套上，这个数值远远大于电缆的侧压力允许值。竖井内的电缆自重由20台输送机平均分摊，导向架实际受力为竖井段最后一台输送机到平洞地面的电缆自重；导向架由多个滑轮组成，形成多点受力，进一步降低了电缆受到的侧压力。

d.电缆预留段的敷设。设计在敷设中考虑了预留电缆，以备日后检修之用。要求在开关楼地下一层和地下平洞、主变出线支洞预留电缆。电缆敷设到位后，主变出线支洞→地下平洞→开关楼地下一层，利用输送机、电缆葫芦及人工配合逐步进行固定，并形成弧形预留段。

e.电缆摆设前，根据图纸再次确认电缆相序后方可进行电缆固定工作。根据设计要求，全线电缆均安装固定在支架上，每相电缆敷设完毕后，即进行摆线及电缆固定工作，并在电缆两侧终端安装位置分别预留5m。

f.电缆敷设后的蛇形固定。荒沟抽水蓄能电站敷设的高压电缆是500kV水电站的出线，电缆在一日的工作周期内有可能出现数次满载和空载运行，负荷的变化会使电缆产生热伸缩，当电缆截面积较大时，伸长量也较大。如果不能消除由此产生的机械应力，将对电缆的主绝缘和铝护套造成不良影响。因此，电缆采用蛇形固定方式，在水平位置，每间隔4.5m设固定支架，制作电缆竖直波谷量为220mm的蛇形；在竖井位置，每间隔2.7m制作电缆水平波谷量为200mm的蛇形，用以消除电缆的机械应力。

4 结 语

在施工前期通过电缆受力分析，通过BIM三维建模和云计算相结合，在设计阶段和施工前期与施工单位配合，提前查找施工中会出现的问题并及时协调解决。希望此次研究对电缆每个部位在电缆敷设过程中受到牵引力和压力的测算，可为后续施工提供理论依据。